Dynamisch statt statisch
Effiziente technische Lösungen finden und Kostenersparnisse erzielen durch Gebäudesimulation
Bild 1: Grundlage für die 3-D-Erfassung bietet beispielsweise der Import von DWG- oder DXF-Dateien. Bild: Hottgenroth/ET U
Bild 2: Die dynamische Gebäudesimulation bietet detailreiche Möglichkeiten zur Prüfung von Räumen und Zonen. Bild: Hottgenroth/ETU
Bild 3: Die Prüfung der Temperaturverläufe kann stündlich, täglich oder monatlich erfolgen. Bild: Hottgenroth/ETU
Bild 4: Kennlinie eines Lüfters, der in einer Simulationssoftware hinterlegt ist. Quelle: IES VE
Bild 5: Darstellung der solaren Intensitäten auf den Glasflächen eines Gebäudes. Quelle: IES VE
Bild 6: Die Simulation einer natürlichen Ausleuchtung gibt u. a. Aufschluss über eventuelle Blendungen von Personen im Raum.Quelle: IES VE
Tabelle 1: International stehen mittlerweile zahlreiche Programme für die dynamische Gebäudesimulation zur Verfügung. Die Tabelle zeigt einen Auszug von Programmen und Bezugs-/Informationsquellen.
Dynamische Gebäudesimulation mit einer Software im Vergleich zu den statischen Betrachtungen des Energieausweises. Dies war das Ziel einer aktuellen Masterarbeit aus dem Bereich Energietechnik. Sie kommt zu dem Ergebnis, dass sich Gebäudesimulation in vielen Fällen lohnt und Vorteile gegenüber statischen Berechnungen bietet. Unterstützt werden die Aussagen durch eine hohe Genauigkeit der Simulation. Lediglich 1,7 % wich diese von den tatsächlichen Messwerten des Endenergieverbrauchs im untersuchten Objekt ab.
Der Nutzen der dynamischen Gebäudesimulation ist u. a. die Optimierung der zu planenden Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik. Bei einigen Programmen kann der Wirkungsgrad von Wärmepumpen, Lüftungen, Pumpen etc. für jedes Zeitintervall untersucht werden. Durch die Kenntnis des genauen Bedarfs des Gebäudes kann ein Lastprofil für die Anlagen erstellt und so bei der Investition ein Gerät gewählt werden, welches dem tatsächlichen Lastbereich am besten entspricht, sprich im häufigsten auftretenden Lastbereich einen guten Wirkungsgrad vorweist. Hierzu lassen sich verschiedene Varianten in der Planungsphase gegenüberstellen, sodass die energieeffizienteste Anlage ermittelt werden kann.
Simulationsablauf
Für die dynamische Gebäudesimulation wird zur Erfassung des Gebäudes in der Regel ein 3-D-Modell aus den vorliegenden Architekturplänen erstellt (Bild 1). Im Anschluss kann das Modell in die Berechnung der Software übertragen werden. Jedem Raum wird ein Profil zugewiesen, das den Raum hinsichtlich, Temperatur, Heiz- und Kühlsystem, inneren Gewinnen, Lüftung und der dazugehörigen Zeitprofile eindeutig beschreibt. So kann für jeden Raum eine thermische Zone berechnet werden. Unter Einbezug der externen Faktoren wie Sonnenstand und Wetter sowie der Materialwerte lässt sich eine vollständige dynamische Simulation durchführen.
Handlungsspielraum zum Kostensparen
Die Wechselwirkungen von Bedarf und Versorgung lassen sich darstellen. Diese Situation liefert realistischere Energieflüsse bei der Simulation aufgrund der benutzerspezifischen Randbedingungen. Bei der statischen Berechnung kam es in einem Beispielprojekt zu Abweichungen von bis zu + 35 % bei den Transmissionsverlusten. Die inneren Gewinne wichen sogar bis zu 67 % von den simulierten Werten ab. Durch eine exakte Aufschlüsselung der Energieflüsse können die maßgeblichen Wärmeverluste bestimmt und so zielgerichtet dort optimiert werden, wo die größten Effekte auf den Energieverbrauch zu erwarten sind.
Auf Basis einer detaillierten Aufschlüsselung der Energiebilanz lassen sich die essenziellen Faktoren hinsichtlich Komfort und Energie ausfindig machen und optimieren. So kann z. B. durch eine entsprechend der Auswertung gewählten Speichermasse oft eine Überhitzung vermieden werden. Zudem lassen sich die Kosten für die Kühlung reduzieren oder im Idealfall sogar die Heizkosten im Winter, wenn die gespeicherte Wärme in der Nacht wieder eingebracht werden kann. Der Heizwärmebedarf konnte für das untersuchte Objekt der Masterarbeit durch den genau ermittelten Einsatz von Speichermassen um rund 15 % gesenkt werden.
Einsparpotenzial durch Sonnenstands- und Tageslichtsimulationen
Durch Sonnenstandssimulationen und die daraus resultierenden Verschattungsanforderungen kann der Umfang des Sonnenschutzes genau angepasst werden, ohne dass es zu Gebäudeüberhitzungen kommt. In der Regel kann für jeden Zeitpunkt und für jeden Raum die Maßnahme durchgeführt werden. Im Ergebnis lassen sich so Überdimensionierungen von Klima- und Sonnenschutzanlagen vermeiden. Darüber hinaus kann der bauliche Sonnenschutz, z. B. ein horizontaler Überstand durch einen Balkon, so konzipiert werden, dass die einfallende Solarenergie möglichst nur in der Heizperiode den Raum erwärmt.
Bild 5 zeigt die eintreffenden solaren Intensitäten. In diesem Fall wird ersichtlich, dass für das obere Drittel, den roten Bereich der Fassade, eine hochwertige (mobile) Verschattung nötig ist, während der untere Teil kostengünstig ausgeführt werden kann. Die dynamische Simulation lieferte hier gegenüber zur statischen Berechnung deutlich genauere Ergebnisse zu den solaren Einstrahlungsintensitäten mit bis zu 33 % Abweichung.
Tageslichtsimulationen
Wie ein Raum durch das Sonnenlicht ausgeleuchtet wird, kann bei einigen Programmen mittels Tageslichtquotienten dargestellt werden (Bild 6). Mit diesem Wissen lässt sich die Beleuchtung entsprechend konzipieren und ggf. elektrisches Licht einsparen. Darüber hinaus gibt eine Tageslichtsimulation Aufschluss über eventuelle Blendungen von Personen im
Raum.
Autor: Markus Tonak, Moser & Partner Ingenieurbüro GmbH, Absam (Österreich). Der Autor hat seine Masterarbeit 2015 über die Vorteile der dynamischen Gebäudesimulation bei Moser & Partner Ingenieurbüro GmbH verfasst. Tonak: „Im Artikel wird lediglich ein kleiner Teil der vielfältigen Möglichkeiten veranschaulicht. Einige Programme ermöglichen beispielsweise auch die Durchführung von CFD-Lufströmungssimulationen, Evakuierungsmodellen und Behaglichkeitsstudien.“
